DE7506391U

DE7506391U - Axialgeblaese an einem kuehler fuer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE7506391U
Application number: DE19757506391
Authority: DE
Original assignee: International Harverster Corp
Current assignee: Navistar Inc
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-28
Publication date: 1977-08-11
Also published as: DE2508903A1; DE2508903B2; FR2262608B2; FR2262608A2; JPS50129835A; BR7501184A; NL7416535A

Description

e.TzJ&dmut !Zoepk* D-8000 München5, 5. Mai 1977 Z?

P tentanwUt· ^^ ErhardtatraBe 8 11/WU Pfttentamrllte Telefon (089) 24 06 75 D-9 5 4

International Harvester Company
401 North. Michigan Avenue
Chicago, Illinois 60611, USA

Axialgebläse an einem Kühler für Brennkraftmaschinen

Die Neuerung besieht sich auf ein Axialgebläse an einem Kühler für Brennkraftmaschinen, insbesondere in Fahrzeugen, bestehend aus einem Kühler, einem diesem nachgeschalteten Lüfter mit einem umlaufenden Lüfterrad und mit einer Lüfterverldeidung, die einen mit dem Kühler fest verbundenen vorderen Einlaßteil und einen rückwärtigen Auslaßteil aufweist, der aus einem zylindrischen Ringteil, einem viertelbogenförmigen Verlängerungsteil und einem radialen flachen Teil besteht, wobei der radiale flache Teil mit der von den Hinterkanten der umlaufenden Lüfterblätter des Lüfterrades gebildeten Ebene zusammenfällt und die Vorderkanten der Lüfterblätter dem Kühler zugewandt sind.

Ein derartiges Axialgebläse ist in dor DT-OS 2 411 225 beschrieben und dargestellt.

Die meisten Kraftfahrzeuge werden heutzutage durch Verbreiinungskraftmaschinen angetrieben. Die zwangsläufig wärmeabgebenden Verbrennungakraftmaschinen weisen vielfach eine Wasserkühlung auf, bei der Wasser in Kreislauf durch die Antriebsmaschine geführt und auf diese Weise die sich entwickelnde Wärme nach außen in die Atmosphäre abgeführt wird.

lit ■ ■ « ·

• · · ι · ■ ■ '

!•III t /

- 2 - [Q

Der zum Kühlen des Kühlwassers dienende Kühler wird einem Luftstrom ausgesetzt, der die Wärme aufnimmt und sie in die Atmosphäre ableitet. Zum Erzeugen des Luftstromes sind verschiedene Arten von Lüftern bekanntgeworden. So kennt man Lüfter, durch die aus der Atmosphäre Luft durch den Kühler angesaugt und entlang der Antriebsmaschine wieder in die Atmosphäre zurückgefördert wird. Diese Lüfter sind als Axialsauglüfter bekannt, bei denen die Luft axial durch den Kühler angesaugt und in dem Brennkraftmaschinenraum abgegeben wird. Andere Lüfter wiederum arbeiten in der umgekehrten Weise, d.h. sie saugen Luft aus dem Brennkraftmaschinenraum an, worauf die Luft durch den Kühler hindurchgedrückt wird, um die notwendige Kühlung des Kühlers zu erreichen.

Bei allen Arten von Lüftern kann festgestellt werden, daß für den Lufttransport durch den Kühler nur etwa ein Drittel der Länge der Lüfterblätter wirksam ist. Das Strömungsbild an der Frontseite des Kühlers zeigt hierbei eine typische ballenförmige Geschwindigkeitsverteilung. Etwa ein Drittel der Länge der Lüfterblätter ist für den Lufttransport durch den Kühler sowohl im Randbereich als auch im Nabenbereich des Lüfters wirkungslos. Dadurch ergibt sich, daß Teile des Kühlers mit hoher Geschwindigkeit und andere Teile mit sehr niedriger Geschwindigkeit durchströmt werden. Angestrebt wird aber für einen optimalen Wärmeaustausch eine über die gesamte Kühlerfläche gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung.

Bei der Kühleinrichtung nach der DT-OS 2 411 225 hat es sich als nachteilig erwiesen, daß die Rezirkulation der Luft im Randbereich des Lüfters durch die im Lüfterauslaß in radialer Richtung ausströmende Luft gehindert wird. Der Lüfter saugt hierdurch mehr Luft durch den Kühler an, statt daß die Luft im Randbereich des Lüfters einfaoh rezirkuliert,

/3

7506391 11,08,77

wodurch das ballonförmige Geschwindigkeitsprofil abgeflacht wird.

Aufgabe der !Teuerung ist es daher, bei einem Axialgebläse der eingangs genannten Art die Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt des Kühlers gleichmäßig zu gestalten, um dadurch einen verbesserten Wärmeaustausch zu erzielen, und gleichzeitig StrömungsVerluste in Folge des Reibungswiderstandes des I)Uftieitkanals zu vermindern.

Diese Aufgabe wird gemäß der !Teuerung dadurch gelöst, daß die axiale Gesamtlänge der Lüfterverkleidung zwischen der Vorderkante des Einlaßteils und der rückwärtigen Kante des Auslaßteils durch stufenlos verstellbare Stellmittel und/oder durch auswechselbare ringförmige Verlängerungsteile einstellbar ist.

Eine derart ausgebildete Lüfterverkleidung läßt sich anwenden bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, aber auch bei stationären Anlagen. Die Lüfterverkleidung hinter dem Kühler ist so angeordnet und ausgebildet, daß sie einen Luftleitkanal durch den Kühler bildet und den Lüfter daran hindert, Luft anzusaugen, welche nicht mit der Wärmeaustauschfläche des Kühlers Kontakt gehabt hat. Die Lüfterverkleidung umschließt die gesamte Rückseite der Wänaeaustauschfläche des Kühlers und umfaßt einen nach hinten v/eisenden Auslaßteil.

In bevorzugter Ausgestaltung der Neuerung sind die Verlängerungsteile rohrförmig ausgebildet und zum stufenlosen Verlängern der Lüfterverkleidung mit einem Gewinde versehen.

7506391 11.08.77

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Neuerung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert;

Es zeigen:

Pig. 1 eine Seitenansicht einer Verbrennungskraftmaschine mit der Kühleinrichtung in einem Fahrzeug,

Pig. 2 einen teilweisen Schnitt durch die Kühleinrichtung,

Pig. 3 einen entsprechenden Schnitt durch die Kühleinrichtung mit einer Umlenkplatte zur Ablenkung des Abluftstroms,

Pig. 4- als Vergleich eine Kühleinrichtung nach der DT-OS 2 411 225,

Pig. 5 eine bekannte Kühleinrichtung,

Pig. 6 eine Vorderansicht der i:i Pig. 2 dargestellten Kühleinrichtung mit dem sich ergebenden Strömungsbild und

Pig. 7 eine Vorderansicht der in Pig. 4 dargestellten Kühleinrichtung mit dem sich ergebenden Strömungsbild.

In Pig. 1 ist eine in herkömmlicher Weise wassergekühlte Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt, die auf dem vorderen Teil eines Pahrgestellrahmens 12 eines Fahrzeugs H angeordnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Fahrzeug ein Ackerschlepper. Es versteht sich jedoch, daß

/5

7506391 11,08,77

Il «III 1 * I 4 I

die Neuerung auch bei anderen, mit einer Verbrennungskraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeugen oder einem transportablen oder stationären Antriebsaggregat mit einem lüfter angewandt werden kann. Im vorderen Teil des Fahrzeuges ist ein Kühler 16 angeordnet, um die von der Verbrennungskraftmaschine erzeugte Wärme aufzunehmen. Der Kühler ist über Leitungen 18 und 20 mit der Verbrennungskraftmaschine verbunden, so daß Kühlwasser zwischen dem Kühler und den Kühlwasserräumen der Verbrennungskraftmaschine strömen kann. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist von einer Blechhaube 22 umgeben, so daß ein Verbrennungsmas chinenraum 24- gebildet wird.

Am vorderen Ende der Vörbrennungskraftmaschine 10 sitzt eine Lüfterwelle, über die Antriebskraft zu einem Lüfter 28 geleitet werden kann (Fig. 2). Pur die vorliegende Neuerung ist unwesentlich, in welcher Weise die Antriebskraft dem Lüfter zugeführt wird. Riemen und Riemenscheiben können auch verwendet werden, es kommt nur darauf an, daß dem Lüfter Antriebskraft zugeführt wird. Bei dem Lüfter 28 handelt es sich um einen umlaufenden Sauglüfter, der dem Kühler 16 gegenüberliegend angeordnet ist und normalerweise in axialer Richtung Luft durch den Kühler ansaugt und in axialer Richtung wieder abgibt. Diese axiale Luftströmung wird durch eine Verkleidung 30 geleitet. Die besondere Gestalt des vorderen Einlaßteils 32 dieser Verkleidung ist abhängig von der Gestalt und Ausbildung des perforierten Wärmeaustauschteils des Kühlers. In der bevorzugten Ausführung der Neuerung ist die gesamte perforierte Fläche im wesentlichen abgedichtet, so daß die Luft nur durch den Kühler strömen und nicht von anderen Richtungen zuströmen kann. Von der Vorderkante aus ist die Verkleidung nach hinten zu einem ringförmigen hinteren Teil 36 ausgebildet. Die optimalen Längen und Werte hierfür werden nachfolgend erläutert..

/6

7506391 11.08.77

. . < I II III! till

lit I

... I I I I I I

ι ι · ι t · ι

i«i ι ι

6. . < ItIII I

Wie aus Pig. 2 hervorgeht, erstreokt sioh nach, hinten und i?.aoh außen von dem !Tell 36 ein Auslaßt θ 11 38. Sie Verbindung zwlsohen dem Einlaßteil und dem Auslaßteil kann durch geeignete Mittel erreloht werden. Wesentlich ist dabei, daß diese Verbindung verhältnismäßig frei von öffnungen und Zwischenräumen 1st, die einen Luftzutritt ermöglichen. Der Auslaßteil 33 umfaßt einen Ringteil 40, einen gewölbten Verlängerungstell 42 und einen flaohen Planschteil 44. Der Ringteil 40 bildet die Einlaßöffnung für den Auslaßteil 38, während sich der Verlängerungstell 42 nach hinten und gleichzeitig bogenförmig nach außen erstreokt, wobei ein Bezugspunkt für den Bodenradius mit 46 bezeichnet ist. Der bogenförmige Verlängerungstell 42 bildet eine Überführungsflache bzw. kommt einer solchen nahe. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verlängerungsteil 42 ein Teil mit einem konstanten Bogenradlus. Der flache Planschteil 44 bildet die Hinterkante des Verkleidungsauslasses 38 und besitzt eine Hauptebone, die vertikal zu dem Ringteil 40 verläuft. Aus Vereinfachungsgründen kann der Ringteil 40 als zylindrischer Hals, der bogenförmige Verlängerungsteil 42 als radiale Verlängerung und der flache Planschteil 44 als radiale Pläche bezeichnet werden.

Wie oben bereits erwähnt, ist der Lüfter 28 in der Nähe des Kühlers umlaufend gelagert, mit dem Zweck einen Kühlluftstrom zu erzeugen. Der Lüfter 28 weist mehrere Lüfterlätter 48 auf, von denen in der Zeichnung nur eins dargestellt ist. Wie aus Pig. 2 hervorgeht, ist der Lüfter 28 von dem Lüfterauslaßteil 38 umgeben. In einer bevorzugten Ausführungsform der Neuerung ist die Anordnung des Lüfters 28 innerhalb der Verkleidung 30 derart getroffen, daß eine von den Vorderkanten 50 der Lüfterblätter 48 gebildete Ebene mit dem Eintrittsquerschnitt des Ringteils 40 zusammenfällt und

/7

7506391 11.08.77

eine duroh eine Hinterkante 52 gebildete, rüokwärtige Ebene mit der radialen Fläche 44 parallel zusammenfällt. Es hat α loh. jedooh herausgestellt, daß in beiden Fällen eine Abweichung von plus oder minus 12 fi von der projlzlerten Axialbreite AW des Lüfters möglich ist. Das bedeutet, daß bei einer Lageabwelohung von 12 fi der beiden Ebenen, die duroh die Vorder- und Hinterkante der umlaufenden Lüfterblätter gebildet werden, Immer nooh eine zufriedenstellende Punktion gemäß der Neuerung erreicht wird.

Es wurde jedoch festgestellt, daß die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die durch die Vorderkante 50 gebildete vordere Ebene in der Verbindungsebene zwischen dem konvergierenden Teil 36 und dem Ringteil 40 verläuft. Von noch größerem Einfluß auf das Ergebnis ist dae Verhältnis zwischen der rückwärtigen Ebene, die durch die Hinterkante 52 gebildet wird, und dem radialen flachen Teil 44· Die Maximalleistung wird erreicht, wenn die rückwärtige Ebene und die radiale Fläche 44 fluchten und parallel zueinander verlaufen.

Zwischen den Parametern besteht folgendes Verhältnis: RF = AW/3, CF = AW/3 und R = 2 AW/3, wobei RF die Länge des radialen flachen Teils 44» CF die Länge des zylindrischen Ringteils 40 und R der Radius des viertelbogenförmigen Verlängerungsteils 42 oder der Abstand zu dem Bezugspunkt zu der Überführungsfläche und AW die projizierte axiale Breite des Lüfters 28 ist.

Die Lage des Lüfters 28 zu dem Auslaßteil 38 wird am besten durch den Abstand des Lüfters ausgedrückt, der sich über das Ende der Verkleidung nach hinten erstreckt. Es wurde gefunden, daß bei einer Abweichung Xg von Null die besten Ergebnisse erzielt wurden. Vernünftige Ergebnisse konnten

/0

7506391 11.08.77

jedooh auoh nooh dann erzielt weiden, wem X^ ungefähr plus oder minus 12 <?o von AW ist. Wie aus dem Vorgegangenen hervorgeht, ergibt sich eine optimale leistung, wenn die rüokwärtlge Kante mit der Fläche der radialen Flache zusammenfällt oder aber innerhalb dieser genannten Toleranz liegt. Duroh Änderung der lage des Lüfters in Bezug auf den Lüfter? auslaß ist es ferner möglich, Sen Luftstrom au steuern, und zwar geradewegs nach hinten, unter einem Winkel in radialer Richtung usw., und zwar je nach Bedarf und weloher Art der Vorzug gegeben wird.

Es hat sich herausgestellt, daß über den Eintrittsquerschnitt des Kühlers eine optimale Geschwi:;idigkeitsverteilung erzielt werden kann, wenn eine Lüfterverkleidung 51, wie sie nach der DT-OS 2 411 225 ausgebildet ist (Pig. 4 der vorliegenden Anmeldung) auf eine bestimmte axiale Länge eingestellt wird und der Lüfter an dem einen Ende der längenveränderlichen Lüfterverkleidung angeordnet und in einem solchen Sinne angetrieben wird, daß er die Luft durch die Lüfterverkleidung ansaugt. Wie sich in jedem Windkanal beobachten läßt, wird der Strom eines Gebläses stromab mit zunehmender Entfernung vom Gebläse breiter gefächert und die Geschwindigkeitsverteilung gleichmäßiger. Einer nach diesem Prinzip gleichmäßiger werdenden Geschwindigkeitsverteilung bei entsprechend verlängerter Lüfterverkleidung wirkt jedoch der Reibungswiderstand der an die Strömung angrenzenden Flächen und Wände entgegen, der je nach dem verwendeten Material und seiner Oberflächenbeschaffenheit, also ins-' besondere seiner Rauheit, sowie je nach dem Ausmaß von in der Strömung vorgesehenen Erümmungen zu Turbulenzen Anlaß geben und dadurch den Vorteil einer gleichmäßigen G-eschwindigkeitsverteilung aufheben kann.

7506391 11.08.77

f f * I I

Es läßt sich jedoch, die Lüfterverkleidung bis zu einer solchen Länge verlängern, bei der die Geschwindigkeitsverteilung der durch den Kühler strömenden Luft noch in zunehmendem Maße gleichmäßiger wird, andererseits aber durch Reibungswiderstände hervorgerufene Strömungsverluste nicht mehr wesentlich ansteigen und den verbesserten Wärmeaustausch kompensieren können. Auf diese Länge kann die Lüfterverkleidung durch Verwendung von rohrförmigen Yerlängerungsteilen eingestellt werden, die in einer bestimmten Anzahl aneinandergefügt oder beispielsweise auch durch Gewinde stufenlos ineinander verdreht werden, wobei jederzeit kürzere gegen längere Verlängerungsteile und umgekehrt ausgewechselt werden können.

Um eine Umlenkung der Strömung zurück zum Kühler durch den Nabenbereich des Lüfters zu vermeiden, kann nach der Ausführungsform der Pig. 3 eine Umlenkplatte 71 Verwendung finden.

Bei der Kühleinrichtung nach Pig. 5 ist der Kühler 47 an eine Lüfterverkleidung 49 von bisher verwendeter Form angeschlossen.

In einer Versuchsanordnung wurde eine Kühleinrichtung mit zwei verschiedenen Längen einer Lüfterverkleidung mit kastenförmigem Profil untersucht und hierbei die Abkühlrate (in kj/min ⁰C) und mittels Differentialdruckmessung an der Frontseite des Kühlers die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstromes (in kg/sec) gemessen. Die Ergebnisse sind anhand der folgenden Tabelle 1 aufgezeigt:

- 10

7506391 11.08.77

TABELLE 1

Unterschied

Länge der Lüfterverkleidung zwischen
Lüfterradvorderkante
und hinterer Kühler-·

fläche	85	mm	115	,5 mm	30	,5	mm
Abkühlrate	166	,3	169	,4	+ 1	,9	*
Strömungs- Ge s chwind igke it	5	,27	VJl	,22	- 0	,9
Lüfter- Geschwindigkeit (U/min)	2520		2520

Anhand dieses Vergleichsversuches ergab sich, daß mit der längeren Lüfterverkleidung wahrscheinlich aufgrund von Leitungsverlusten eine etwas geringere Strömungsgeschwindigkeit, jedoch eine bessere Abkühlrate erzielt werden kann, wobei durch eine bessere Geschwindigkeitsverteilung die langsamere Luftströmung einen höheren Abkühleffekt hat.

Die Verbesserung des Abkühleffektes allein durch Längenänderung der Lüfterverkleidung läßt sich sowohl bei Lüfterverkleidungen mit kastenförmigem Profil als auch bei konventionellen Durchgangslüftern nachweisen.

Unter gleichen Bedingungen angestellte Vergleichsversuche zwischen einer Lüfterverkleidung mit konventionellem kastenförmigen Profil und einer Lüfterverkleidung mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Lüfterauslaß zeigte,

/11

daß sich, beide Typen von Lüfterverkleidungen optimieren lassen, wie dies aus Tabelle II hervorgeht:

TABELLE II

kastenförmiges Profil

Profil

der

!Teuerung

Unterschied

Länge der Lüfterverkleidung zwischen Lüfterradvorderkante und hinterer Kühler-

fläche	161,3 mm	171,45 mm	[ 10,15 mm
Abkühlrate	156,8	158,6	+ 1,2 fi
Strömungs-
Ge s chwind igke it	4,66	4,53	- 2,7 io
Lüfter-
Geschwindigkeit
(U/min)	2200	2050	- 6,8 jS

Um bei der gemäß der Neuerung ausgebildeten Lüfterverkleidung ungefähr den gleichen Effekt zu erzielen, der sich mit einer Lüfterverkleidung mit kastenförmigem Profil nach Tab. I ergibt, brauchte das Lüfterrad mit einer um 6,8 ^ geringeren Lüftergeschwindigkeit angetrieben zu werden. Bei einer Lüftergeschwindigkeit von 2200 U/min würde dagegen ein wesentlicher prozentualer Anstieg beobachtet werden können, was insbesondere dann

7506391 11,0877

von Vorteil ist, wenn das Fahrzeug bei kaltem Wetter frontseitig vor dem Kühler abgedeckt wird.

Um vorhandene Lüfterverkleidungen unterschiedlichster Formgebung in dieser Weise optimieren zu können, muß dafür gesorgt werden, daß zwischen Kühler und Lüfterverkleidung kein Leck besteht, durch welches Luft angesaugt werden könnte, ohne den Kühler zu passieren. Bei Anpassung vorhandener Lüfterverkleidungen muß auch das darin umlaufende Lüfterrad versetzt werden, wobei sich als reproduzierbares Kriterium für die Anpassung der Abstand zwischen der Lüfterradvorderkante und der hinteren Kühlerfläche verwenden läßt.

Wie der Vergltich zwischen den Fig. 6 und 7 erkennen läßt, ist das Strömungsbild bei der Ausbildung der Lüfterverkleidung nach der Neuerung im Vergleich zur Ausführungsform der Fig. 4 wesentlich günstiger und weist in der Eintrittsfläche des Kühlers 59 bzw. 61 einen vergleichsweise größeren Strömungsquerschnitt bzw. 57 auf.

/13

Claims

I ■■ I ' I > ti·)·· II., / Λ

• · »111 111

• · «ιι ι ^.

• · % · * ' t »II . ^r^J

- 12 - J

SohutzansprUohe

1^Axialgebläse an einem Kühler für Brennkraftmaschine,^* insbesondere in Fahrzeugen, bestehend auo einem Kühler, einem diesem nachgeschalteten Xiüfter mit einem umlaufenden Lüfterrad und mit einer Lüfterverkleidung, die einen mit dem Kühler fest verbundenen vorderen Einlaßteil und einen rückwärtigen Auslaßteil aufweist, der aus einem zylindrischen Ringteil, einem viertelbogenförmigen Verlängerungsteil und einem radialen flachen Teil besteht, wobei der radiale flache Teil mit aer von den Hinterkanten der umlaufenden Lüfterblätter des Lüfterrades gebildeten Ebene zusammenfällt und die Vorderkanten der Lüfterblätter dem Kühler zugewandt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Gesamtlänge der Lüfterverkleidung (30) zwischen der Vorderkante des Einlaßteils (32) und der rückwärtigen Kante des Auslaßteils (38) durch stufenlos verstellbare Stellmittel und/oder durch auswechselbare ringförmige Verlängerungsteile einstellbar ist.
2. Axialgebläse an einem Kühler für Brennkraftmaschinen, insbesondere in Fahrzeugen, bestehend aus einem Kühler, einem diesem nachgeschalteten Lüfter mit einem umlaufenden Lüfterrad und mit einer Lüfterverkleidung, die einen mit dem Kühler fest verbundenen vorderen Einlaßteil and einem rückwärtigen Auslaßteil

/14

7508391 11.08.77

aufweist, der aus einem zylindriaohen Ringteil, einem viertelbogenförmigen Verlangerungsteil und einem radialen flaohen Teil besteht, wobei der radiale flache Teil mit der von den Hinterkanten der umlaufenden Lüfterblätter des Lüfterrades gebildeten Ebene zusammenfällt und die Vorderkanten der lüfterblätter dem Kühler zugewandt sind, angewandt auf eine lüfterverkleidung bei der der Einlaßt© 11 kegeistumpfförmig auslaufend mit dem Ringteil des Auslaßteils verbunden 1st, dessen Breite etwa der projizierten axialen Breite der Lüfterblätter entspricht und wobei die Radialerstreckung ebenso wie die Längserstreckung des Ringteils etwa ein Drittel der projizierten axialen Breite der Lüfterblätter entspricht, während der Radius des viertelbogenförmigen Verlängerungsteils etwa zwei Drittel der projizierten axialen Breite der Lüfterblätter entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Gesamtlänge der Lüfterverkleidung (30) zwischen der Vorderkante des Einlaßteils (32) und der rückwärtigen Kante des Auslaßteils (38) durch stufenlos verstellbare Stellmittel und/oder durch auswechselbare ringförmige Verlängerungsteile einstellbar ist.
3. Gehäuse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungsteile rohrförmig ausgebildet und zum stufenlosen Verlängern der Lüfterverkleidung (30) mit einem Gewinde versehen sind.

7508391 11.08.77